JP4356263B2 - Power converter - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流電源からチョッパ回路により任意の直流電力を取り出す直流−直流電力変換装置に係り、特に自己消弧型の半導体スイッチを用いたチョッパ回路に好適な電力変換装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
図2(a)は降圧チョッパ回路の概略を示す回路図、図2(b)はその負荷電流の波形図である。図2(a)で、半導体スイッチ12をオンすると、直流電源11から負荷15へ供給される電流Icは、直流リアクトル14があるため徐々 に増加する。次に、半導体スイッチ12をオフにすると、直流リアクトル14に蓄えられたエネルギーにより、フリーホイリングダイオード13を通じて負荷15へ電流Ifが流れる。負荷15に流れる負荷電流は、図2(b)に示すようにΔIだけ変動を繰り返す。
【0003】
ここで例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)のような自己消弧型の半導体スイッチを半導体スイッチ12として用いたとき、半導体スイッチ12がオンからオフへ切り替わる電流遮断時に、半導体スイッチ12の端子間電圧Vsが跳ね上がる現象が発生する。この半導体スイッチ12の電流遮断時の 跳ね上がり電圧の大きさは、直流電源11から半導体スイッチ12までのインダクタンスの大きさに比例する。跳ね上がり電圧が過大になると半導体スイッチ12が過電圧で破壊される恐れがあるため、通常は、コンデンサを主体とするスナバ回路を付加して跳ね上がり電圧を吸収している。
【0004】
図3は、降圧チョッパ回路を有する従来の電力変換装置の主回路の構成図である。チョッパ回路の半導体スイッチ12及びフリーホイリングダイオード13は、モジュール素子1内に構成されている。モジュール素子1の各端子は、それぞれP側引き出し導体31,N側引き出し導体32,出力引き出し導体33を介してP側共通導体41,N側共通導体42,出力共通導体43へ接続されている。なお、図3では1つのモジュール素子1のみが示されているが、複数のモジュール素子が同様にして、P側引き出し導体31,N側引き出し導体32,出力引き出し導体33を介してP側共通導体41,N側共通導体42,出力共通導体43へ接続される。
【0005】
直流電源11に接続されたP側共通導体41及びN側共通導体42は、コンデンサ等の付加回路の組立性を考慮して、モジュール素子1の端子面と直交する方向に並べられている。そして、P側引き出し導体31及びN側引き出し導体32は、モジュール素子1の各端子からP側共通導体41及びN側共通導体42までの距離を最短にするように斜めに構成されており、これによりインダクタンスを低減して半導体スイッチ12の電流遮断時の跳ね上がり電圧を抑制している。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
図4は、降圧チョッパ回路を有する従来の電力変換装置の主回路に発生する磁束変化の説明図である。降圧チョッパ回路の負荷電流がΔIだけ変動を繰り返すため、出力引き出し導体33の図4(a),図4(b)に破線矢印で示した電流変化ΔIに比例して、出力引き出し導体33の周りに磁束φCが発生する。この 磁束φCがモジュール素子1の設置された金属筐体2に鎖交すると、金属筐体2 には鎖交磁束を打ち消すために渦電流が流れ、金属抵抗による渦電流損で誘導加熱が発生する。この金属筐体2に発生する誘導加熱は、電力変換装置が大容量化して負荷電流が大きくなる程顕著となる。
従来、金属筐体の誘導加熱の対策としては、抵抗の低いアルミニウム等の非磁性金属の使用や、磁気シールド等が試行されていた。
【0007】
本発明は、金属筐体に発生する誘導加熱を抑制することを目的とする。
本発明はまた、半導体スイッチの電流遮断時の跳ね上がり電圧を抑制することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電力変換装置は、自己消弧型の半導体スイッチとフリーホイリングダイオードとを含むチョッパ回路を備え、半導体スイッチ及びフリーホイリングダイオードを金属筐体に設置されたモジュール素子内に構成し、このモジュール素子の端子面に,半導体スイッチの入力側と接続されている第1の端子と,フリーホイリングダイオードのアノード側と接続されている第2の端子と,半導体スイッチの出力側及びフリーホイリングダイオードのカソード側の両方と接続されている第3の端子とを設け、直流電源の正極側とモジュール素子の第1の端子とを接続する第1の導体と、負荷と直流電源の負極側とを接続する第1の経路と、負荷とモジュール素子の第2の端子とを接続する第2の経路とを有する第2の導体と、モジュール素子の第3の端子と負荷側とを接続する第3の導体とを備え、前記第1,第2および第3の各端子はこの順に並べてモジュール素子の端子面に配設し、第3の導体を,第2の導体の第1及び第2の経路の共通部分よりもモジュール素子側に配設するとともに、第2の導体の第1及び第2の経路の共通部分と第3の導体とを平行に近接して配置したものである。
第2の導体の負荷と直流電源の負極側とを接続する第1の経路及び負荷とフリーホイリングダイオードのアノード側とを接続する第2の経路に流れる電流は、半導体スイッチの出力側及びフリーホイリングダイオードのカソード側と負荷側とを接続する第3の導体に流れる電流とは逆向きとなる。従って、第2の導体の第1及び第2の経路の共通部分と第3の導体とを平行に近接して配置すると、互いの導体で発生する磁束が打ち消され、金属筐体に鎖交する磁束が減少して誘導加熱が抑制される。
【0009】
さらに、本発明に係る電力変換装置は、第1の導体を,第2の導体の第1の経路よりもモジュール素子側に配設するとともに、第2の導体の第1の経路と第1の導体とを平行に近接して配置したものである。
第2の導体の負荷と直流電源の負極側とを接続する第1の経路に流れる電流は、直流電源の正極側と半導体スイッチの入力側とを接続する第1の導体に流れる電流とは逆向きとなる。従って、第2の導体の第1の経路と第1の導体とを平行に近接して配置すると、互いの導体で発生する磁束が打ち消され、金属筐体に鎖交する磁束が減少して誘導加熱が抑制される。また、互いの導体の自己インダクタンスが打ち消されるので、直流電源から半導体スイッチまでのインダクタンスが減少して、半導体スイッチの電流遮断時の跳ね上がり電圧が抑制される。
さらに、本発明に係る電力変換装置は、第2の導体と第3の導体との間,及び第2の導体と第1の導体との間に絶縁層を形成したものである。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に従って説明する。図1は、本発明の一実施の形態による電力変換装置の主回路の構成図である。本実施の形態は、半導体スイッチ12として絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)を使用した例を示している。
【0011】
図1において、チョッパ回路の半導体スイッチ12及びフリーホイリングダイオード13は、モジュール素子1内に構成されている。第1の導体21は、直流電源11の正極側と半導体スイッチ12の入力側とを接続している。第2の導体22は、電流経路が途中で分岐しており、負荷15と直流電源11の負極側とを接続する第1の経路と、負荷15とフリーホイリングダイオード13のアノード側とを接続する第2の経路とを有する。第3の導体23は、半導体スイッチ12の出力側及びフリーホイリングダイオード13のカソード側と負荷15とを接続している。そして、第2の導体22の第1及び第2の経路の共通部分と第3の導体23とが、互いに平行に近接して配置されている。また、第2の導体22の第1の経路と第1の導体21も、互いに平行に近接して配置されている。なお、第2の導体22と第3の導体23の間、及び第2の導体22と第1の導体21の間には、図示は省略するが絶縁フィルム等により絶縁層が形成されている。
【0012】
図1において、第3の導体23に破線矢印で示した電流が流れるとき、第2の導体22の第1及び第2の経路の共通部分には破線矢印で示した逆向きの電流が流れる。従って、第3の導体23に流れる電流により発生する磁束φCは、第2 の導体22の第1及び第2の経路の共通部分に流れる電流により発生する磁束φnで打ち消される。このため、金属筐体2に鎖交する磁束が減少し、金属筐体2 に発生する渦電流損が減少して誘導加熱が抑制される。
【0013】
同様に、第1の導体21に破線矢印で示した電流が流れるとき、第2の導体22の第1の経路には破線矢印で示した逆向きの電流が流れる。従って、第1の導体21に流れる電流により発生する磁束は、第2の導体22の第1の経路に流れる電流により発生する磁束で打ち消される。このため、金属筐体2に鎖交する磁束が減少し、金属筐体2に発生する渦電流損が減少して誘導加熱が抑制される。
【0014】
また、互いに逆向きの電流が流れる2つの導体は、発生する磁束を打ち消すだけでなく、互いの導体の自己インダクタンスを打ち消す作用を持つ。従って、第2の導体22の第1の経路と第1の導体21とを互いに平行に近接して配置することにより、直流電源11から半導体スイッチ12までのインダクタンスが減少して、半導体スイッチ12の電流遮断時の跳ね上がり電圧が抑制される。
【0015】
図5は、降圧チョッパ回路を有する従来の電力変換装置に流れる電流の説明図である。図5の破線矢印は、半導体スイッチ12がオンしているときに流れる電流を示している。図5に示すように、直流電源11の正極側と半導体スイッチ12の入力側とを接続するP側引き出し導体31と、負荷15とフリーホイリングダイオード13のアノード側とを接続するN側引き出し導体32とでは、同時に逆向きの電流が流れない。従って、従来の電力変換装置では、P側引き出し導体31とN側引き出し導体32とが平行に配置されていても、本発明のように直流電源11から半導体スイッチ12までのインダクタンスを減少する効果は発揮されない。
【0016】
本実施の形態ではチョッパ回路の半導体スイッチ及びフリーホイリングダイオードがモジュール素子内に構成されていたが、本発明はモジュール素子に限らず適用できる。
また、本実施の形態では半導体スイッチとして絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)を使用した例を示したが、本発明の半導体スイッチはこれに限らず、ゲートターンオフサイリスタ(GTO),電界効果トランジスタ(FET),MOSFET等、自己消弧型の半導体スイッチであればよい。
なお、本発明の第1の導体,第2の導体,第3の導体の形状は、以上説明した実施の形態に限らず、第2の導体の第1及び第2の経路と第3の導体とを平行に近接して配置できるもの、または第2の導体の第1の経路と第1の導体とを平行に近接して配置できるものであれば、様々な形状を工夫することができる。
【0017】
【発明の効果】
本発明によれば、第2の導体の負荷と直流電源の負極側とを接続する第1の経路及び負荷とフリーホイリングダイオードのアノード側とを接続する第2の経路と、半導体スイッチの出力側及びフリーホイリングダイオードのカソード側と負荷とを接続する第3の導体とを平行に近接して配置することにより、金属筐体の鎖交磁束が減少して、金属筐体に発生する誘導加熱を抑制することができる。
また、本発明によれば、第2の導体の負荷と直流電源の負極側とを接続する第1の経路と、直流電源の正極側と半導体スイッチの入力側とを接続する第1の導体とを平行に近接して配置することにより、直流電源から半導体スイッチまでのインダクタンスが減少して、半導体スイッチの電流遮断時の跳ね上がり電圧を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施の形態による電力変換装置の主回路の構成図である。
【図2】 図2(a)は降圧チョッパ回路の概略を示す回路図、図2(b)はその負荷電流の波形図である。
【図3】 降圧チョッパ回路を有する従来の電力変換装置の主回路の構成図である。
【図4】 降圧チョッパ回路を有する従来の電力変換装置の主回路に発生する磁束変化の説明図である。
【図5】 降圧チョッパ回路を有する従来の電力変換装置に流れる電流の説明図である。
【符号の説明】
1…モジュール素子、2…金属筐体、11…直流電源、12…半導体スイッチ、13…フリーホイリングダイオード、14…直流リアクトル、15…負荷、
21…第1の導体、22…第2の導体、23…第3の導体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a DC-DC power converter that extracts arbitrary DC power from a DC power source using a chopper circuit, and more particularly to a power converter suitable for a chopper circuit using a self-extinguishing semiconductor switch.
[0002]
[Prior art]
FIG. 2A is a circuit diagram showing an outline of the step-down chopper circuit, and FIG. 2B is a waveform diagram of the load current. In FIG. 2 (a), when turning on the
[0003]
Here, for example, when a self-extinguishing semiconductor switch such as an insulated gate bipolar transistor (IGBT) is used as the
[0004]
FIG. 3 is a configuration diagram of a main circuit of a conventional power converter having a step-down chopper circuit. The
[0005]
The P-side
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
FIG. 4 is an explanatory diagram of magnetic flux changes that occur in a main circuit of a conventional power converter having a step-down chopper circuit. Since the load current of the step-down chopper circuit repeatedly fluctuates by ΔI, the
Conventionally, as a countermeasure against induction heating of a metal casing, use of a nonmagnetic metal such as aluminum having a low resistance, a magnetic shield, or the like has been tried.
[0007]
An object of the present invention is to suppress induction heating generated in a metal casing.
Another object of the present invention is to suppress the jumping voltage when the current of the semiconductor switch is interrupted.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
A power conversion device according to the present invention includes a chopper circuit including a self-extinguishing semiconductor switch and a free-wheeling diode, and the semiconductor switch and the free-wheeling diode are configured in a module element installed in a metal casing. , A first terminal connected to the input side of the semiconductor switch, a second terminal connected to the anode side of the freewheeling diode, the output side of the semiconductor switch, and the free terminal A third terminal connected to both the cathode side of the wheeling diode, a first conductor connecting the positive side of the DC power source and the first terminal of the module element , a load and a negative side of the DC power source a first path for connecting the side, and a second conductor having a second path for connecting the second terminal of the load and the module elements, the module containing The third terminal and a third conductor connecting the load side of said first, second and third terminals of disposed on the terminal surface of the module element are arranged in this order, the third conductor of Is disposed closer to the module element than the common part of the first and second paths of the second conductor, and the common part of the first and second paths of the second conductor and the third conductor are connected to each other. They are arranged close to each other in parallel.
The current flowing through the first path connecting the load of the second conductor and the negative electrode side of the DC power source and the second path connecting the load and the anode side of the freewheeling diode is the output side of the semiconductor switch and the free side. The current flowing in the third conductor connecting the cathode side and the load side of the wheeling diode is in the opposite direction. Therefore, when the common part of the first and second paths of the second conductor and the third conductor are arranged close to each other in parallel, the magnetic flux generated by each conductor is canceled out and linked to the metal housing. Magnetic flux decreases and induction heating is suppressed.
[0009]
Furthermore, in the power conversion device according to the present invention, the first conductor is disposed closer to the module element than the first path of the second conductor, and the first path of the second conductor and the first path The conductor is arranged close to each other in parallel.
The current flowing through the first path connecting the load of the second conductor and the negative side of the DC power supply is opposite to the current flowing through the first conductor connecting the positive side of the DC power supply and the input side of the semiconductor switch. It becomes the direction. Therefore, when the first path of the second conductor and the first conductor are arranged close to each other in parallel, the magnetic flux generated by each conductor is canceled out, and the magnetic flux interlinked with the metal casing is reduced to induce. Heating is suppressed. Further, since the self-inductance of the mutual conductors is canceled out, the inductance from the DC power source to the semiconductor switch is reduced, and the jumping voltage when the current of the semiconductor switch is interrupted is suppressed.
Furthermore, the power converter device according to the present invention includes an insulating layer formed between the second conductor and the third conductor, and between the second conductor and the first conductor.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a configuration diagram of a main circuit of a power conversion device according to an embodiment of the present invention. This embodiment shows an example in which an insulated gate bipolar transistor (IGBT) is used as the
[0011]
In FIG. 1, the
[0012]
In FIG. 1, when the current indicated by the broken line arrow flows through the
[0013]
Similarly, when a current indicated by a broken line arrow flows through the
[0014]
Further, the two conductors through which currents flowing in opposite directions not only cancel the generated magnetic flux, but also have the action of canceling the self-inductance of the mutual conductors. Therefore, by arranging the first path of the
[0015]
FIG. 5 is an explanatory diagram of a current flowing in a conventional power converter having a step-down chopper circuit. A broken-line arrow in FIG. 5 indicates a current that flows when the
[0016]
In this embodiment, the semiconductor switch of the chopper circuit and the freewheeling diode are configured in the module element, but the present invention is not limited to the module element and can be applied.
In this embodiment, an example in which an insulated gate bipolar transistor (IGBT) is used as a semiconductor switch is shown. However, the semiconductor switch of the present invention is not limited to this, and a gate turn-off thyristor (GTO), a field effect transistor (FET). A self-extinguishing semiconductor switch such as a MOSFET may be used.
The shapes of the first conductor, the second conductor, and the third conductor of the present invention are not limited to the embodiment described above, and the first and second paths and the third conductor of the second conductor. Various shapes can be devised, as long as the first path of the second conductor and the first conductor can be arranged close to each other in parallel.
[0017]
【The invention's effect】
According to the present invention, the first path connecting the load of the second conductor and the negative electrode side of the DC power supply, the second path connecting the load and the anode side of the freewheeling diode, and the output of the semiconductor switch By arranging the side and the cathode side of the freewheeling diode and the third conductor connecting the load in parallel and close to each other, the interlinkage magnetic flux of the metal casing is reduced and induction generated in the metal casing Heating can be suppressed.
In addition, according to the present invention, the first path connecting the load of the second conductor and the negative electrode side of the DC power supply, the first conductor connecting the positive electrode side of the DC power supply and the input side of the semiconductor switch, Are arranged close to each other in parallel, the inductance from the DC power source to the semiconductor switch is reduced, and the jumping voltage when the current of the semiconductor switch is interrupted can be suppressed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a main circuit of a power conversion device according to an embodiment of the present invention.
2A is a circuit diagram showing an outline of a step-down chopper circuit, and FIG. 2B is a waveform diagram of its load current.
FIG. 3 is a configuration diagram of a main circuit of a conventional power converter having a step-down chopper circuit.
FIG. 4 is an explanatory diagram of changes in magnetic flux generated in a main circuit of a conventional power converter having a step-down chopper circuit.
FIG. 5 is an explanatory diagram of a current flowing in a conventional power converter having a step-down chopper circuit.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
21 ... 1st conductor, 22 ... 2nd conductor, 23 ... 3rd conductor
Claims (3)
前記半導体スイッチ及び前記フリーホイリングダイオードを金属筐体に設置されたモジュール素子内に構成し、
このモジュール素子の端子面に,半導体スイッチの入力側と接続されている第1の端子と,フリーホイリングダイオードのアノード側と接続されている第2の端子と,半導体スイッチの出力側及びフリーホイリングダイオードのカソード側の両方と接続されている第3の端子とを設け、
直流電源の正極側と前記モジュール素子の第1の端子とを接続する第1の導体と、
負荷と直流電源の負極側とを接続する第1の経路と、負荷と前記モジュール素子の第2の端子とを接続する第2の経路とを有する第2の導体と、
前記モジュール素子の第3の端子と負荷側とを接続する第3の導体とを備え、
前記第1,第2および第3の各端子はこの順に並べてモジュール素子の端子面に配設し、
前記第3の導体を,前記第2の導体の第1及び第2の経路の共通部分よりもモジュール素子側に配設するとともに、
前記第2の導体の第1及び第2の経路の共通部分と前記第3の導体とを平行に近接して配置したことを特徴とする電力変換装置。It has a chopper circuit including a self-extinguishing type semiconductor switch and a freewheeling diode ,
The semiconductor switch and the freewheeling diode are configured in a module element installed in a metal casing,
On the terminal surface of the module element, a first terminal connected to the input side of the semiconductor switch, a second terminal connected to the anode side of the freewheeling diode, the output side of the semiconductor switch, and the freewheel. Providing a third terminal connected to both the cathode side of the ring diode ;
A first conductor connecting a positive electrode side of a DC power source and a first terminal of the module element ;
A second conductor having a first path connecting the load and the negative electrode side of the DC power source, and a second path connecting the load and the second terminal of the module element ;
A third conductor connecting the third terminal of the module element and the load side ;
The first, second and third terminals are arranged in this order and arranged on the terminal surface of the module element,
The third conductor is disposed closer to the module element than the common part of the first and second paths of the second conductor,
The power converter according to claim 1, wherein a common portion of the first and second paths of the second conductor and the third conductor are arranged close to each other in parallel.
前記第2の導体の第1の経路と前記第1の導体とを平行に近接して配置したことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 The first conductor is disposed closer to the module element than the first path of the second conductor,
The power converter according to claim 1, wherein the first path of the second conductor and the first conductor are arranged close to each other in parallel.
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